有机化学---第17章 杂环化合物
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第17章杂环化合物
无色，有吡啶臭味的液体，沸点117℃，与水互溶，有 弱碱性。是稳定的化合物。 • 一些重要的天然产物几合成药物含有噻唑结构，如青 霉素、维生素B1等。 • 青霉素是一类抗菌素的总称，已知的青霉素大于一百 多种，它们的结构很相似，均具有稠合在一起的四氢 噻唑环和β- 内酰胺环。
HOOC CH3 CH 3 S N C O CH NH C R O
命名3：根据相应的碳环来命名。把杂环看作相应碳环 中的碳原子被杂原子取代而形成的化合物，命名时在 相应的碳环名称前加上杂原子的名称：
• 在没有误会的情况下，“杂”字可以省去。
杂环化合物(heterocyclic compounds)：
构成环的原子除碳原子外还有其它原子 的一类环状化合物 ， 常见的杂原子是O,N,S。
0.1361 0.1370 0.1382 0.1341
0.1430 0.1423 0.1417 0.1455
C C
C C
键长/nm 0.154 0.134
17.2 五元杂环化合物
17.2.1 五元杂环化合物的化学性质
X
X = NH,O,S
杂原子的＋C 效应，增加了杂环的亲电 取代反应的活性。亲电取代反应活性顺序：
加成反应
呋喃的芳香性比较弱, 除进行亲电取代反应外;还 容易进行亲电加成和Diels-Alder环加成反应。
O O +
O S + O
OO
O O
O
30oC
O H O H 90%
100 C 1500MPa
o
SO O H H
H CH3OH Br CH
O
47%
+ Br2
O
CH3COOK CH3OH
H Br
HOOC CH3 CH 3 S N C O CH NH C R O
命名3：根据相应的碳环来命名。把杂环看作相应碳环 中的碳原子被杂原子取代而形成的化合物，命名时在 相应的碳环名称前加上杂原子的名称：
• 在没有误会的情况下，“杂”字可以省去。
杂环化合物(heterocyclic compounds)：
构成环的原子除碳原子外还有其它原子 的一类环状化合物 ， 常见的杂原子是O,N,S。
0.1361 0.1370 0.1382 0.1341
0.1430 0.1423 0.1417 0.1455
C C
C C
键长/nm 0.154 0.134
17.2 五元杂环化合物
17.2.1 五元杂环化合物的化学性质
X
X = NH,O,S
杂原子的＋C 效应，增加了杂环的亲电 取代反应的活性。亲电取代反应活性顺序：
加成反应
呋喃的芳香性比较弱, 除进行亲电取代反应外;还 容易进行亲电加成和Diels-Alder环加成反应。
O O +
O S + O
OO
O O
O
30oC
O H O H 90%
100 C 1500MPa
o
SO O H H
H CH3OH Br CH
O
47%
+ Br2
O
CH3COOK CH3OH
H Br
大学有机化学第十七章杂环
杂环化合物也可以发生还 原反应，如喹啉可以还原 为二氢喹啉。
还原反应通常涉及还原剂 对杂环的攻击，导致电子 转移和还原产物的生成。
杂环化合物在有机合成中的
06
应用
作为合成子构建复杂分子结构
01 杂环化合物作为合成子
杂环化合物具有丰富的反应性和多样的结构，可 以作为合成子用于构建更复杂的分子结构。
02 杂环合成策略
在天然产物的全合成中，杂环的合成是关键步骤 之一。通过设计合理的合成路线，可以实现杂环 的高效构建。
03 实例分析
以某些具有代表性的天然产物为例，阐述杂环化 合物在天然产物全合成中的应用。
在药物设计和合成中的应用
药物分子的结构特点
许多药物分子都含有杂环结构，这些结构对于药物与靶标 的相互作用具有重要影响。
咪唑
由两个氮原子和三个碳原子组成的五元杂环化合物，具有芳香性。咪唑及其衍生物在医药和农药等领域有重要应 用，如抗真菌药物克霉唑、抗寄生虫药物甲硝唑等。
噻唑
由一个硫原子、一个氮原子和三个碳原子组成的五元杂环化合物，具有芳香性。噻唑及其衍生物在染料、农药和 医药等领域有广泛应用，如杀菌剂稻瘟灵、抗癫痫药物卡马西平等。
大学有机化学第十七 章杂环
目录
• 杂环化合物概述 • 五元杂环化合物 • 六元杂环化合物 • 杂环化合物的合成方法 • 杂环化合物的反应与机理 • 杂环化合物在有机合成中的应用
01
杂环化合物概述
定义与分类
定义
杂环化合物是指分子中含有杂原子（非碳原子）的环状 有机化合物。
分类
根据杂原子的种类和数量，杂环化合物可分为单杂环和 多杂环两大类。其中，单杂环又分为含氮杂环、含氧杂 环和含硫杂环等。
呋喃
17第十七章 杂环化合物
N H
2、亲核取代反应：主要发生在α位 、亲核取代反应：主要发生在 位
KOH
NaNH2
齐齐巴宾反应
3、氧化反应（对氧化剂稳定） 、氧化反应（对氧化剂稳定）
CH3 │ COOH │
V2O5 [O] NH2NH2
CONHNH2 │
N
N
N
异烟肼
4—吡啶甲酸（异烟酸） 吡啶甲酸（异烟酸） 吡啶甲酸
雷米封（ 雷米封（Rimifon）可治结核病 ）
二 杂环化合物的命名
1、命名：英文音译再加“口”字旁，表示是杂环化合 命名：英文音译再加“ 字旁， 物 3β 3β 4 4 3β 4 五元杂环
5
O 1
2α
5
S 1
2α
5 1N H
2α
呋喃(furan) 呋喃
γ 4 5 6 N 1 3β 2α
噻吩(thiophene) 噻吩
吡咯(pyrrole) 吡咯
O
S
N H
茂（环戊二烯） 氧（杂）茂 环戊二烯）
硫（杂）茂
氮（杂）茂
N
N
苯
氮（杂）苯
萘
1─氮杂萘 氮杂萘
第二节 含有一个杂原子的五元杂环体系
吡 咯 的 结 构
N H
sp2杂 环 有一个
N
呋喃、噻吩、吡咯的结构P 一 呋喃、噻吩、吡咯的结构 412
子的 子的 子 子 环 p
吡咯N 结构 吡咯
二、五元环的化学性质
六元杂环
吡啶(pyridine) 吡啶
2、有取代基的杂环化合物的命名： 、有取代基的杂环化合物的命名： 以杂环为母体，从杂原子开始，顺着环编号。 以杂环为母体，从杂原子开始，顺着环编号。
4 5 3 O2 1
第17章 杂环化合物
双烯合成：呋喃、吡咯、噻吩都含有共轭二烯结构， 理论上都能发生Diels-Alder反应。 芳香性最弱的呋喃很容易进行双烯合成反应，和顺丁
烯二酸酐加成，主要生成内式异构体。
CO
O +
O O
30℃
O H H + O O
O O H O H
CO O
吡咯一般不发生双烯合成。
内式(90%)
噻吩基本上不发生双烯加成，即使在个别情况下生成也 是一个不稳定的中间体，直接失硫转化为别的产物。
H3C
CH3COONO2
N H
(CH3CO)2O , －10 ℃
N H
NO2
CH3COONO2
S
(CH3CO)2O , －10℃
S
NO2
呋喃比较特殊，先生成稳定的或不稳定的2,5-加成产物， 然后加热或用吡啶除去乙酸，得到硝化产物。
CH3COONO 2
O
5℃ －30 ～ －
O
+
H NO 2
H CH 3COO
（1965年）获诺贝尔化学奖。
Ⅲ、与生物有关的杂环及其衍生物举例
CH2 H3C N H3C H N H H O O COOCH3 CH3 CH3 Mg N CH3 N R CH3
叶绿素A和叶绿素B
R=CH3：叶绿素A R=CHO：叶绿素B
O
CH3 CH3 CH3
Ⅲ、与生物有关的杂环及其衍生物举例 血红素：
Ⅰ、杂环化合物的分类和命名 杂环的命名常用音译法，是按外文名词音译成 带“口”字旁的同音汉字。
N H (pyrrole) 吡咯 N N (pyrimidine) 嘧啶
O (furan) 呋喃
S (thiophene) 噻吩
有机化学杂环化合物
在非强酸性条件下，有些亲电试剂也可以在吡 啶环上进行。
亲核取代反应
喹啉和异喹啉也可以发生亲核取代反应。喹啉 在2位C， 4位C较少。异喹啉主要在1位C，几乎没有 3位C的产物。
氧化反应
衍生物
喹啉的衍生物是许多生物碱的母体结构
H
CH3O H
HO
N H
CH3O
N
N 奎 宁 (金 鸡 纳 霜 )
1
嘧啶pyrimidine mp 22oC
4
5 N3
6
2
N
1
吡嗪pyrazine
mp 57oC
4
5
N3
6 N2 N
1
1, 2, 3-三嗪
4
5N 3
6 N2 N
1
1, 2, 4-三嗪
4
5N
3
N
6
2
N
1
1, 3, 5-三嗪
都有弱碱性，但比吡啶碱性弱。
最重要的衍生物是嘧啶衍生物，在生理和药理上 有重要地位：
黄样离子
CH3 HO
CH3
O CH3
O 黄酮
VE
第三节 稠杂环
一、苯并五元杂环
N
O
S
N
茚
H 吲哚
苯并呋喃
苯并噻吩 异 吲 哚
mp52oC bp173~175oC bp221oC
N
N
N
N H
O
S
苯 并 咪 唑 苯 并 恶 唑 苯 并 噻 唑
N
N N
N N
H
H
吲 唑 苯 并 三 唑
吲哚有一定的酸性，可以与碱反应生成盐。
制备：甘蔗渣、花生壳、高粱杆、棉子壳等含 有戊多糖，将它们打碎放入反应釜，加入稀硫 酸，通入水蒸气加热，戊多糖水解为戊糖，戊 糖失水成糠醛。
有机化学 第十七章杂环化合物
第十七章杂环化合物(heterocyclic compounds)在环状化合物的环中含有碳以外的杂原子，这类化合物统称为杂环化合物。
常见的杂原子是: O, N, S1芳杂环的数目很多，可根据环的大小、杂原子的多少以及单环和稠环来分类。
•常见的杂环为五元、六元单杂环及稠杂环。
稠杂环是由苯环及一个或多个单杂环稠合而成的。
317.2 杂环化合物的命名杂环化合物的命名采用外文名的译音，用带“口”字旁的同音汉字表示。
编号从杂原子开始，用阿拉伯数字(1,2,…) 表示顺序，也可以将杂原子旁的碳原子依次用α、β、γ表示。
417.3 结构和芳香性呋喃、噻吩、吡咯是最重要的含一个杂原子的五元杂环化合物。
呋喃、噻吩、吡咯都是平面结构，环上所有原子都是sp2杂化，各原子均以sp2杂化轨道重叠形成σ键。
9碳未杂化的p 轨道中有一个电子，杂原子的p轨道中有一对电子，p 轨道相互平行重叠，形成闭合的共轭体系,具有芳香性。
下表中给出的1H NMR数据可证实这一点，环上质子的化学位移在7ppm左右与苯类似。
1011表17-1 五元芳杂环的物理性质分别存在于木焦油、煤焦油和骨焦油中αβαβαβ17.4 五元杂环化合物4.1 五元杂环化合物的化学性质呋喃、噻吩、吡咯具有芳香性，容易进行亲电取代反应。
杂原子的大小及电负性不同，它们的活性有差异，但它们的活性都比苯大，顺序为：吡咯> 呋喃> 噻吩> 苯12（丙）吡咯和吲哚•吡咯的物理性质和鉴定•无色油状液体，沸点131℃，微溶于水，易溶于有机溶剂。
•吡咯蒸气遇浸过盐酸的松木片呈红色，可用来检验吡咯。
•吡咯环不如苯环稳定，易被氧化呈褐色并发生树脂化。
2017.5 六元杂环化合物5.1 吡啶和嘧啶吡啶存在于煤焦油和骨焦油中，工业上用无机酸从煤焦油的轻油部分中提取。
吡啶的衍生物广泛存在于自然界中，许多药物也含有吡啶环。
23一、吡啶的物理性质及结构吡啶是一个无色有恶臭的液体b.p. 115.5℃，m.p.-42℃，d: 0.9819与水及许多有机溶剂如乙醇，乙醚等混溶它是良好的溶剂25吡啶的结构与苯的相似吡啶环上的氮以sp2杂化成键，一个p电子参与共轭，形成具有6个p电子的闭合的共轭体系，具有芳香性。
第17章 杂环化合物
平面结构 一个闭合的共轭体系 符合休克尔4n+2规则
具有芳香性。
21
2、 吡啶的性质 １）弱碱性 （pKb=8.8） 碱性: 仲胺＞伯胺＞叔胺＞氨＞吡啶＞苯胺＞吡咯
+ HCl N + SO3 CH2Cl2 室温 N HCl NH3 N 此反应常用于 在反应中吸收 生成的气态酸
N
N SO3 (90%) 吡啶三氧化硫络合物 是常用的缓和磺化剂
HNO3,H2 SO4
NO2 + NO2 N H 17%
NO2 S NO2
(86%) +
S
（14%）
S
14
（3）磺化 吡咯和呋喃也不能用硫酸直接磺化，要用温和的 非质子磺化试剂。
+ N H
N SO3
+
100oC
HCl N H SO3H (90%)
N · SO 3
N H
100℃
N H
SO3
-
HCl
N H
S
Cl2
50℃
S
Cl
（36%）
I2,HgO
C6H6, 0℃
S
I
（70%）
吡咯极易卤化生成四卤吡咯。
13
（2）硝化 呋喃和吡咯很易被氧化，遇无机酸容易发生聚合， 因而不能用硝酸硝化。通常用比较温和的非质子硝化试 剂，如用硝酸乙酰酯 。
O N H + CH3CONO2 Ac2O 5oC N H 83%
N H
进攻2位 E+ N H 进攻3位 N H
+ +
H N H E H H
....
H H N H
+
....
亲电取代主要发生在杂环3位
有机化学17章-杂环化合物
H
N
H2SO4, HgSO4 230 ° 70% C,
吡啶不能起Friedel-Craft反应
N
Br2 300 ° C
三、 六元杂环化合物
(C) 亲核取代反应：与强的亲核试剂起亲核取代反应，主要生成 α-取代产物 。
+
NaNH2 N
H 2O NHNa N NH 2
N
+
C6H5Li N
+
LiH
N
C6H5
二、 五元杂环化合物
吲哚：由苯环和吡咯环稠合而成的，因此也叫做苯并吡咯
CH2COOH N H 吲哚
CH3 N H
N H 3-吲哚乙酸
Br2 CH3COOH
CH3 N H Br
二、 五元杂环化合物
(4) 咪唑和噻唑：较常见的含有两个杂原子的五元杂环化合物
N N H 咪唑 S
N
H C
N
C
H N
H
噻唑
1.分类和命名 分 类：以杂环的骨架为基础 按环的大小——最重要的是五元杂环和六元杂环；
按杂环中杂原子数目的多少——单杂原子的杂环和多
杂原子的杂环； 按环的形式——单杂环和稠杂环
N O furan 呋喃 S thiphene 噻吩 N H pyrrole 吡咯
N pyridine
N quinoline 喹啉
二、 五元杂环化合物
由于五元杂环化合物的高度活泼性及呋喃和吡咯对无机强酸的 敏感性，亲电取代反应需要比较温和的条件
Br2 0~5℃ O CH3C ONO2 -10℃ (CH3CO)2O N H C5H5N SO3 室温 O CH3C CI SnCI4 N H N H N H O SO3 O C CH3 乙醚 Br Br N H NO2 Br Br O Br2 O O 0~5℃ O Br
有机化学-第十七章 杂环化合物
N H
氮杂-2,4,6-环庚三烯
二、命名 1、音译法命名：根据英文音义，用带口字旁的同音汉字
N H (pyrrole) 吡咯
O (furan) 呋喃
N
N (pyrimidine)
嘧啶
N
(quinoline) 喹啉
S (thiophene)
噻吩
N H (indole) 吲哚
N (pyridine)
吡啶
S
α-噻吩磺酸
呋喃和吡咯对及氧化剂都比较敏感，应使用特殊的试 剂乙酰硝酸酯进行硝化，使用吡啶三氧化硫进行磺化。
+
－
N SO3
SO3H
O
O
α-呋喃磺酸
O
CH3 C ONO2
N
(CH3CO)2O,－10℃
N
NO2
H
H
α-硝基吡咯
吡啶比苯难发生亲电取代反应，反应条件要求和硝基 苯差不多；在发生反应时取代基主要进入β-位。
1 α-呋喃甲醛
HO CH CH OH H2SO4
H CH C H Δ CHO
OH OH
+ 3H2O O CHO
糠醛是没有α-氢的醛，化学性质和苯甲醛相似。
浓 NaOH
+
O CHO
O CH2OH O COOH
2 卟啉化合物
卟啉化合物是一类广泛存在于自然界中的化合物，它
们的分子中都含有卟吩环。
2α314 NhomakorabeaNH
N
δ
β
N
HN
8
5
7
γ
6
卟吩环
CH CH2
吡咯的酸性极弱，介于醇和酚之间。
Δ + KOH（固）
氮杂-2,4,6-环庚三烯
二、命名 1、音译法命名：根据英文音义，用带口字旁的同音汉字
N H (pyrrole) 吡咯
O (furan) 呋喃
N
N (pyrimidine)
嘧啶
N
(quinoline) 喹啉
S (thiophene)
噻吩
N H (indole) 吲哚
N (pyridine)
吡啶
S
α-噻吩磺酸
呋喃和吡咯对及氧化剂都比较敏感，应使用特殊的试 剂乙酰硝酸酯进行硝化，使用吡啶三氧化硫进行磺化。
+
－
N SO3
SO3H
O
O
α-呋喃磺酸
O
CH3 C ONO2
N
(CH3CO)2O,－10℃
N
NO2
H
H
α-硝基吡咯
吡啶比苯难发生亲电取代反应，反应条件要求和硝基 苯差不多；在发生反应时取代基主要进入β-位。
1 α-呋喃甲醛
HO CH CH OH H2SO4
H CH C H Δ CHO
OH OH
+ 3H2O O CHO
糠醛是没有α-氢的醛，化学性质和苯甲醛相似。
浓 NaOH
+
O CHO
O CH2OH O COOH
2 卟啉化合物
卟啉化合物是一类广泛存在于自然界中的化合物，它
们的分子中都含有卟吩环。
2α314 NhomakorabeaNH
N
δ
β
N
HN
8
5
7
γ
6
卟吩环
CH CH2
吡咯的酸性极弱，介于醇和酚之间。
Δ + KOH（固）
有机化学第十七章 环化合(Heterocycliccompounds)
OH N OH N H NH2 N O N
O
NH2 N OH
尿嘧啶
O CH3 N H NH O CH3 N OH N OH
胞嘧啶
CH3 N H H H NH O
HOH2C H H OH
O
胸腺嘧啶
脱氧胸苷
四. 吲哚、嘌呤、喹啉、异喹啉 1. 吲哚 [试分析] 亲电取代发生在苯环还是杂环上?
N H
进攻2位 E+ N H 进攻3位 N H
+ H2O
CH3MgI N H
乙醚
N MgI
+ CH4
2) 呋喃、噻吩、吡咯的反应 (1) 亲电取代反应
试推断呋喃、噻吩、吡咯发生亲电取代反应，比苯容易发生 还是难发生？
杂原子具有+C效应，活化杂环。 亲电取代反应活性顺序： 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯。
亲电取代发生在位还是位？
位比位活泼。亲电取代主要发生在位。
杂原子开始。含多个不同杂原子, 则按 O
4 5 1
S
3 2 5 6
N 顺序编号。
4
N N H
3 2 5
4 1
N S
3 2 5
4 1
N O
N N
1
3
2
咪唑 • 稠杂环的编号
4 5 6 7 3
噻唑
噁唑
嘧啶
1
6
N N
3
5 9
N N H
7 8
5 6 7 8
4 3
N H
1
2
2
4
N
1
2
吲哚
嘌呤
喹啉
[环上有取代基的杂环]
三. 六元杂环化合物 1. 吡啶 1) 结构与物理性质
O
NH2 N OH
尿嘧啶
O CH3 N H NH O CH3 N OH N OH
胞嘧啶
CH3 N H H H NH O
HOH2C H H OH
O
胸腺嘧啶
脱氧胸苷
四. 吲哚、嘌呤、喹啉、异喹啉 1. 吲哚 [试分析] 亲电取代发生在苯环还是杂环上?
N H
进攻2位 E+ N H 进攻3位 N H
+ H2O
CH3MgI N H
乙醚
N MgI
+ CH4
2) 呋喃、噻吩、吡咯的反应 (1) 亲电取代反应
试推断呋喃、噻吩、吡咯发生亲电取代反应，比苯容易发生 还是难发生？
杂原子具有+C效应，活化杂环。 亲电取代反应活性顺序： 吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯。
亲电取代发生在位还是位？
位比位活泼。亲电取代主要发生在位。
杂原子开始。含多个不同杂原子, 则按 O
4 5 1
S
3 2 5 6
N 顺序编号。
4
N N H
3 2 5
4 1
N S
3 2 5
4 1
N O
N N
1
3
2
咪唑 • 稠杂环的编号
4 5 6 7 3
噻唑
噁唑
嘧啶
1
6
N N
3
5 9
N N H
7 8
5 6 7 8
4 3
N H
1
2
2
4
N
1
2
吲哚
嘌呤
喹啉
[环上有取代基的杂环]
三. 六元杂环化合物 1. 吡啶 1) 结构与物理性质
第十七章 杂环化合物
thiazole噻唑 噻唑
H3C N H
pyrazole吡唑 吡唑
N N H
imidazole咪唑 咪唑
NO2
4-甲基咪唑 甲基咪唑
3-硝基吡咯 硝基吡咯
常见的六元单杂环化合物
4 5 6 3 2 5 6 4 3 5 6 4
N3
2
N
1
N
1
N2
N
1
pyridine吡啶 吡啶
Br N
pyridazine哒嗪 哒嗪
(2) 亲电取代
例： N N N + Br2
300 C 以上
。
Br N
β−溴代吡啶
+ H2SO4 + 混酸
350 C
。 。 N
SO3H NO2 N
O
CHO
KMnO4,OH-
O
H2/Ni
COOH
还原：
O
CHO
O
CH2OH
(2) 噻吩
80％ Br2 ,0oC O
S
Br
O
O
S
o
Br2 HOAc
+
S
NO2 S 10%
Br
78%
CH3COONO2 (CH3O)2O 0 C S NO2 60%
S
98%H2SO4 室温
H2O S SO3H 69~76% S
(3) 吡咯和吲哚 吡咯的弱碱性和弱酸性
N H sp sp
2
参与环体系共轭 离域于整个共轭体系 难以表现出碱性
2
N H p
吡咯分子中氮原子上虽然带有孤对电子， 吡咯分子中氮原子上虽然带有孤对电子，但是由于其 6 参与了环状 π 5 的共轭，为整个环状共轭体系所共享， 的共轭，为整个环状共轭体系所共享， 从而使氮上电子云密度降低， 从而使氮上电子云密度降低，孤对电子难以给出去而 表现碱性。所以，吡咯的碱性很弱， 表现碱性。所以，吡咯的碱性很弱，甚至于大大弱于 苯胺的碱性。 苯胺的碱性。 碱性：苯胺（ 吡咯（ 碱性：苯胺（Kb=3.8×10-10）>>吡咯（Kb=2.5×10-14） × 吡咯 ×
《有机化学》徐寿昌 第二版 第17章 杂环化合物
5.喹啉及衍生物反应特性有同环或异环取代、氧化之分。
⑥
⑦
解释吡咯为弱酸性、吡啶为弱碱性的原因？
Answer 4:
③
②
④
①
⑥
⑤
⑦
Answer 5: 五元杂环化合物吡咯环上N原子的孤对电子参与环共 轭体系，同时电负性N>H，导致N-H键电子云密度降低并向 N 原子偏转，相对易于离解出H离子而显酸性；吡啶环上N原子的 孤对电子未参与环共轭体系，易于接受质子，故显酸性。
（C）偶合反应
17.3.5 噻唑、吡唑及其衍生物
◆噻唑、吡唑的结构：
N N
N H N H
噻唑
衍生物: 青霉素 维生素B1
吡唑
咪唑
安替吡啉 安乃近
达克宁 阿司咪唑
磺胺噻唑
增白剂AD
甲巯咪唑
17.3.6 吲哚—苯并吡咯
CH2COOH
N H
NH
N H
吲哚 ⑴ 吲哚的制备：
CH3 HCHO NH2
异吲哚
（1）五元杂环化合物——呋喃、噻吩、吡咯的结构
◆五元杂环化合物中碳原子、杂原子均以sp2杂化，其
中杂原子未杂化的P轨道上的共用电子对参加了六电 子体系的形成。五个原子处于同一平面组成一个闭合 的共轭体系。体系符合4n+2休克尔规则，因此具有芳 香性.
◆芳香性程度的比较：
芳香性强弱的次序：
苯 > 噻吩 > 吡咯 > 呋喃 离域能：152 117 88 67 KJ/mol
位电子云密度:
-0.10 -0.03
-0.06
0
（2）六元杂环化合物——吡啶 氮原子与碳原子处在同一平面。吡啶的结构与苯相 似，符合休克尔规则，具有芳香性.
第十七章杂环化合物
第十七章 杂环化合物一、教学目的及要求1. 了解一些常见的重要杂环化合物化学性质二、教学重点与难点2. 杂环化合物化学性质三、教学方法启发式引言杂环化合物是指组成环的原子中含有除碳以外的原子(杂原子——常见的是N 、O 、S 等)的环状化合物。
杂环化合物非芳香杂环芳杂环（符合休克尔规则的杂环）如如OO NH NN HO,…………,,杂环化合物不包括极易开环的含杂原子的环状化合物，例如：NH O ,,,OO O O OO本章我们只讨论芳香族杂环化合物。
在具有生物活性的天然化合物中，大多数是杂环化合物。
例如，中草药的有效成分生物碱大多是杂环化合物；动植物体内起重要生理作用的血红素、叶绿素、核酸的碱基都是含氮杂环；一些维生素、抗菌素、植物色素、植物染料、合成染料都含有杂环。
一、杂环化合物的分类 1. 分类杂环从结构上大体分为：单杂环和稠杂环两类。
二、命名杂环化合物的命名比较复杂，现在一般通用的有两种类型的命名方法。
一种是按照化合物的西文名称音译，另一种是根据相应的碳环化合物名称类比命名。
杂环的命名常用音译法，是按外文名称的音译，并加口字旁，表示为环状化合物。
1. 单杂环的命名方法①写出杂环化合物的基本名称，如下：furan pyrrole thiophene imidazole oxazole呋喃吡咯噻吩咪唑噁唑thiazole pyran pyridine pyrimidine pyrazine噻唑吡喃吡啶嘧啶吡嗪②将杂环上每个"环节"原子编号，并使杂原子处在最小号数位置，如果一个环上有两个或多个不同种类的杂原子时，则规定按O，S，N，…顺序使其位号由小到大。
例如：两个或多个不同种类的杂原子时，则规定按O，S，N，…顺序使其位号由小到大。
例如：③当环上有取代基时，先将取代基的名称放在杂环基本名称（或称主体环名称）的前面，并把主体环的位号写在取代基名称的前面，以表示取代基在主体环上的位置。
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、 内酯、环状酸酐等。
环为平面型共轭体系，环内π电子数符合4n+2规 则，具有一定芳香性的杂环化合物。
2
2、杂环化合物的分类
五元杂环, 如 单杂环 六元杂环, 如 杂环化合物 稠杂环 两个以上单杂环稠并
N N N H
O N
N H
S
苯环与单杂环稠并, 如 N H
N
N
3
3、杂环化合物的命名 （1）音译法 ——在同音汉字左边 + 口字旁
N ..
H2SO4,HgSO4 220℃
N
N
NO2
β-硝基吡啶
SO3H
β-吡啶磺酸
34
当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电取
代反应的发生；反之，就更难以进行亲电取代反应。
NO2
HNO3,H2SO4
H3 C N CH3
100℃
H3 C
N
CH3
吡啶环也象硝基苯一样，不能发生F―C烷基化和 酰基化反应。
吲哚具有芳香性，亲电取代反应发生在吡咯环上； 吲哚亲电取代反应的活性比苯高，但比吡咯低。 亲电取代反应的位置：
5 4 3 7
E+
1
苯 环
6
N H
2
吡咯环
26
进攻 C2 N H + E
+
进攻 C3
只有一个带有完 E N 2 H 整苯环的共振杂化体。 H 3 E 3 E H H + + N N H H
OH
6
S1
苯并呋喃
1
苯并吡咯 喹啉
N
9 7 8
苯并噻唑
N N
3
5 4
HO
N H
OH
2, 6, 8-三羟基嘌呤 尿酸 8
二、杂环化合物的结构与芳香性
1、杂环化合物为何具有芳香性？
N: 2s 2p
2 3
N H
p轨道
sp 杂化
2
s 轨道
C C C C N H
π
6 5
富电子体系
9
O
4 O: 2s 2p
2
N S
噻唑芳香性较弱，且由于N原子电负性较碳原子强，
发烟H2SO4 HgSO4 ,250℃
N HO3S S
28
吡唑
N N H
吡唑具有弱碱性。
电取代反应。
Br2 CH3 COOH , H2O
吡唑芳香性较明显，能发生卤代、硝化、磺化等亲
Br N N H
29
N N H
（7） 颜色反应 呋喃 吡咯 噻吩 糠醛
N H
O
S
14
（2）六元杂环化合物
0.140
4 3 2
0.139 0.147 单 0.134 0.128 双
N
结 论：
① 吡啶环的键长发生了较大程度的平均化，C ―C
键虽与苯相似，但C ―N键变化很大，因此，其
芳香性也比苯差。
15
② 吡啶和苯虽都属等电子体系，但其亲电取代反应 性能比苯差。 原因：氮原子的电负性较大，使得环上的电子云密度
S O
S O O
噻吩能发生氯甲基化反应：
HCl
ZnCl2
O
CH2Cl
22
（4） 吡咯
吡咯存在于骨焦油中，无色油状液体，b.p.131 ℃ ，
微溶于水，易溶于有机溶剂。
① 吡咯的酸碱性： 由于氮上的未共用电子对参与了
N H
共轭体系，难以与H+结合，故基本不 显碱性(pkb=13.6)。
20
（3） 噻吩
噻吩存在于煤焦油的粗苯中，为无色油状液体， b.p.84℃。 噻吩比苯容易发生亲电取代，发生于α-位。 利用磺化反应可分离苯和噻吩：
(
¡ b.p81 C)
¨± ¡ ¡¡¡
¨ Å H2SO4 Ò Î Ê Â Ö Ò · º ô Á Õ ó
Þ à Î ç · Ô ± ½
S ¡ ( b.p84 C) .
CH3 a N b N CH3 c N d
CH3
N
pka
5.17
5.79
5.68
6.02
碱 性：
d ＞ b ＞ c ＞ a
32
吡啶遇酸便形成稳定的盐。
若用非质子的硝化、磺化试剂，或用卤素、卤代烷、
酰氯与吡啶环进行反应，也将形成相应的吡啶盐。
Br2 / CCl4
+ N Br
CH3I
HCl
+ N H
+ NO2 BF4 Et2O
2-呋喃甲醛 α-呋喃甲醛
COOH
3-噻吩甲酸 β-噻吩甲酸
2,3-吡啶二甲酸 α,β-吡啶二甲酸
5
N
COOH
② 当环上有多个相同杂原子时，应使杂原子位
次之和最小；
N N H1
N1
N
N O1
N S1
imidazole
pyrimidine
oxazole 噁唑
thiazole
咪唑
嘧啶
噻唑
6
③ 当环上有不同杂原子时，按O→S→N的次序
② 性质与苯甲醛类似，可发生Cannizzaro反应、与含
α-H的醛或酮的交叉缩合反应、与乙酐发生珀金反应等。
2 O CHO O CHO
+
浓 NaOH
O
COONa
+
O
CH2OH
+
CH3 CHO
CH CHCHO O
+
+
HOH
CHO O
+
(CH3CO)2O
CH3COONa
CH CHCOOH O
CH3COOH
N SO3H
N
HNO3 H2SO4
N
+
Br
Br2 , H2SO4 Ag2SO4 ,
编号；
④ 若环上连有不同的取代基，其命名遵循“次
序规则”和“最低系列原则”。
N3
5
O2N N3
H3 C HOCH2 CH2 N3 S
1
H3 C
N1 H
O1
5-甲基咪唑
4-硝基噁唑
4-甲基-5-(2’-羟乙基)噻唑 7
⑤ 稠杂环的编号，一般和稠环芳烃相同，但有
少数稠杂环另有一套编号方式。
N
O
1
N1 H
35
（3）吡啶环上的亲核取代反应
吡啶环的亲核取代反应主要发生在α-位和γ-位，被
取代的可以是氢原子，也可以是易于离去的基团。
NaNH2 - H2
H2O
N NHNa
N
N
NH2
CH3ONa NaOH
N O CH3
Br Br N
NH3 , ZnCl2
N
220℃
Cl
NH2
N
NH2
NH3 , H2O 160℃
+ N SO3
z Z = NH, O, S
ClCH2 CH2 Cl
z
SO3
H + - N
HCl
z
SO3H
Z = NH, O
(CH3)2C=CH2 ZnCl2
噻吩可直接用浓H2SO4室温磺化
C(CH3)3
z
(CH3CO)2O SnCl4
z
特点：使用较为温和的试剂或反应条件。
COCH3
17
2、常见的五元杂环化合物 （1）呋喃 呋喃存在于松木焦油中，为无色液体，难溶于水 而易溶于有机溶剂，b.p为32℃。 性质： ① 较温和条件下发生亲电取代反应；
第十七章
杂环化合物
一、杂环化合物的分类和命名 二、杂环化合物的结构和芳香性 三、五元杂环化合物
四、六元杂环化合物
1
一、杂环化合物的分类和命名
1、杂环化合物的涵义
成环原子除碳以外，还有其它如O、N、S、P等杂
原子的环状化合物，统称为杂环化合物。
非芳香性杂环化合物, 如： 杂环化合物 芳香性杂环化合物 O 、 N H
CH3I
N CH3
N
CH3
24
① 吡咯的酸性。 ② 吡咯环不如苯环稳定，易被氧化成醌型结构。
③ 吡咯容易发生亲电取代反应，其活性与苯胺类似。
I I
I2 / NaOH
I N H I
N H
N2+Cl
-
N H
N N
④ 吡咯还发生还原或加氢反应生成二氢或四氢吡咯。*
25
（5） 吲哚
由苯环和吡咯环稠并而成，又称苯并吡咯。 吲哚几乎无碱性，可与碱金属作用。
H2 / Ni
O O
HCl 140℃
Cl(CH2)4Cl
NaCN
NC(CH2)4CN
H2O / H+
HOOC(CH2)4COOH
H2NCH2(CH2)4CH2NH2
19
NC(CH2)4CN
H2 / Ni
（2） 糠醛
O
CHO
α-呋喃甲醛
① 具有一般醛的化学性质，可发生亲核加成、氧化
(如银镜反应） 、还原等反应。
有两个带有完整苯环的共振杂化体。
+
吲哚加成反应仍发生在吡咯环上。
O
C H2C O O H N H β - 吲哚乙酸 一种植物生长促进剂
H N C
=
C N H
靛 蓝 一种染料
27
=
O
（6） 噻唑、吡唑及其衍生物
S
..
N
未参与共轭
噻唑碱性很弱 (pKa=2.5) ，可与酸作用成盐。
因而其环上电子云密度比噻吩低，不易发生亲电取代反 应，如卤代、硝化、磺化等。
O